Composition des environnements d’Intelligence Am- Am-biante

Dans ce qui suit, nous dressons tout d’abord un panorama des technologies actuelles permettant de mettre en œuvre des systèmes à intelligence ambiante.

2.3.1 Artefacts intelligents

Un artefact intelligent correspond à n’importe quel objet physique fonctionnel de la vie quotidienne associant capteurs, unité de traitement, unité de communi-cation et mémoire. Il est capable de percevoir son environnement, communiquer avec d’autres artefacts et éventuellement réagir selon une base de règles définie a priori. À travers sa capacité d’interaction direct avec un humain, un artefact intelligent peut assister une personne dans ses tâches quotidiennes en lui offrant des modes d’interaction intuitifs [166]. Contrairement aux dispositifs médicaux mobiles, les fonctionnalités médicales supplémentaires des artefacts intelligents ne sont généralement pas visibles de l’extérieur. Dans ce domaine, on peut citer

l’exemple de Smart Pillow, un oreiller intelligent développé par la société Philips. Ce système surveille les paramètres vitaux de l’utilisateur, tels que la température, la respiration, le pouls, et en cas d’urgence ou de maladie, avise le personnel médical [100]. Dans le domaine de l’assistance cognitive, on peut citer les travaux menés au laboratoire DOMUS de l’université de Sherbrooke-Canada. Le domicile est considéré comme une prothèse cognitive capable d’assister une personne ayant des déficits cognitifs (problèmes d’attention, de mémoire, de planification, etc.), par exemple en lui rappelant les tâches à réaliser, ou en l’aidant à gérer son temps ou à se préparer pour des rendez-vous [108]. Nous pouvons citer également les travaux de l’équipe STARS de l’INRIA sur l’analyse des comportements des personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer [154].

Le concept d’artefacts intelligents a été étudié et développé dans des applications autres que les médicales.Smart Sofa est un canapé instrumenté qui a été développé par le Trinity College de Dublin-Irelande. Il permet d’identifier les personnes assises dessus et de fournir des services personnalisés basés sur ces informations [68]. Les ustensiles intelligents de cuisine sont des exemples d’artefacts mis en œuvre au Mas-sachusetts Institute of Technology [77] : (i) une casserole, équipée d’une puce, qui indique si elle est trop chaude pour être manipulée ; (ii) une cuillère qui fournit des informations sur la température et la viscosité de la nourriture ; (iii) une bouilloire qui informe l’utilisateur du temps d’attente pour la préparation de son thé [31]. D’autres prototypes d’artefacts intelligents ont été développés dans la même logique comme la tasse de café qui communique le type de café et la température du li-quide qu’elle contient ; ou bien encore, la nappe interactive qui permet de saisir une commande dans un restaurant [106].

2.3.2 Accessoires et Vêtements Intelligents

Concernant les technologies mobiles pour la santé et l’autonomie, deux grands courants de la recherche sont devenus prédominants au cours des dernières années : Les accessoires intelligents et les vêtements intelligents.

Concernant la première catégorie, l’exemple le plus marquant est le projet Google Glass, une paire de lunettes intelligente qui offre des services de communi-cation et de navigation à l’usager mobile. Starner et al. [43] ont développéGesture

Pendant, un pendentif qui reconnaît des gestes prédéfinis de l’usager et exécute des

actions de contrôle correspondantes. Kikin-Gil et al. ont développé des accessoires intelligents pour permettre la communication non-verbale au sein de petits groupes d’adolescents [61]. Les montres ou bracelets sont des accessoires populaires qui sont de plus en plus utilisées dans des applications de surveillance médicale. Plusieurs modèles de montres intelligentes sont déjà disponibles dans le commerce à l’image

de l’Actiwatch de la société Cambridge Technology. Cette montre est équipée d’un

accéléromètre miniature qui mesure l’activité physique de son porteur. La combi-naison de ce capteur avec d’autres capteurs a permit d’étendre les fonctionnalités

de la montre à la surveillance des troubles du sommeil : Insomnie, humeur, dépense d’énergie, mouvements périodiques des membres pendant le sommeil [71]. Il existe d’autres exemples de montres-bracelets offrant d’autres types de fonctionnalités, telles que la détection de chute¹, le test de fibrose kystique [5], la mesure de glycémie [141], la surveillance de l’oxygénation du sang [147], l’envoi d’appels d’urgence [159].

Le concept de vêtement intelligent (wearable computing- informatique à porter) repose sur l’idée qui consiste à avoir des ordinateurs miniatures comme partie in-tégrante des vêtements qui nous habillent ou des accessoires que nous portons. Les vêtements intelligents sont des artefacts portables destinés à accompagner l’utili-sateur dans ses déplacements. Dans cette catégorie, on peut citer le projet Smart

Shirt développé à Georgia Institute of Technology [1], où différents types de

cap-teurs ont été intégrés dans la conception d’une chemise intelligente, pour permettre le suivi de paramètres vitaux comme la fréquence cardiaque, l’électrocardiogramme (ECG), la respiration, la température, etc. [46] et [33]. Un autre exemple de sys-tème portable de surveillance de paramètres physiologiques est la veste intelligente

(Smart Vest) développée parPandian et al. [99]. Le système permet de surveiller

des paramètres physiologiques tels que l’ECG, la pression artérielle, la température du corps et la fréquence cardiaque. Ces paramètres ainsi que la géo-localisation du porteur sont transmis aux stations de surveillance [98]. Certains systèmes sont déjà commercialisés tels que le gilet LifeShirt de la société VivoMetrics. Ce système per-met d’effectuer de manière non-invasive une pléthysmographie respiratoire inductive pour surveiller des paramètres cardiorespiratoires (mesure des variations de volume du thorax et de l’abdomen dues aux mouvements respiratoires) [50]. Actibelt, est une ceinture intelligente qui est équipée d’un accéléromètre tridimensionnel intégré dans sa boucle. Ce capteur permet d’analyser l’activité physique du porteur sur une longue période [129]. On peut trouver dans la littérature d’autres exemples de vête-ments intelligents : Protections actives de la hanche [132], chaussures intelligentes [58], genouillères intelligentes [95].

2.3.3 Implants intelligents

Les implants dentaires constituent probablement la forme la plus largement ré-pandue des implants médicaux. Un système de télémétrie et des capteurs sont gé-néralement intégrés à l’intérieur de la bouche du patient dans une dent artificielle ou une couronne. L’un des premiers prototypes d’implants dentaires a été développé dans le cadre du projet Européen Saliwell et était destiné aux patients souffrant de déficience de production de salive. Le prototype, basé sur un capteur de salive, surveille en permanence l’état de sécheresse de la bouche et restaure automatique-ment la production de salive naturelle au moyen de l’électrostimulation [131]. Le système IntelliDrug est un autre exemple de prothèse dentaire qui comprend un dispositif automatisé d’injection de doses de médicaments [131]. Cet implant est

destiné aux personnes souffrant de pharmacodépendance ou de maladies chroniques. Le projet Européen Healthy Aims vise l’élaboration d’implants médicaux incluant des capteurs et des microsystèmes à l’échelle nano-matériel : Implant rétinien pour restaurer la vision pour des patients atteints de certains types de cécité, implant cochléaire destiné à rétablir l’audition, implant pour la stimulation électrique fonc-tionnelle (FES) des muscles des membres inférieurs, capteur de glaucome, capteur de pression intracrânienne pour le diagnostic des malades souffrant d’hydrocépha-lie, capteur de mouvement pour la surveillance de l’activité physio-électrique de l’organisme².

2.3.4 Identification

Parmi les systèmes embarqués capables d’identifier ou de suivre une personne ou un objet, on peut citer l’identification à base de radiofréquences appelée com-munément RFID (Radio Frequency IDentification). Cette technologie, actuellement mature, connaît une véritable explosion, en particulier grâce aux efforts multiples et continus de miniaturisation des circuits intégrés. Son principe consiste en des radio-étiquettes (tags) RFID qui sont capables d’émettre un signal contenant un identifiant en réponse à une requête envoyée par un lecteur. On distingue deux types d’étiquettes : Les étiquettes passives et les étiquettes actives. Les étiquettes passives (sans batterie ou pile) sont alimentées par le champ électromagnétique généré par le lecteur à l’émission d’une requête. Les étiquettes actives, quant à elles, sont alimentées par une batterie ou une pile. Outre l’identification, les étiquettes actives peuvent potentiellement êtres utilisées comme télémètres basés sur la mesure de la puissance du signal Radiofréquence. On dénombre quatre bandes principales de fréquences dédiées pour les applications de la technologie RFID : Les basses fréquences, aux alentours de 125 kHz, les hautes fréquences à 13,56 MHz, la bande UHF, entre 800 et 900 MHz et enfin les hyperfréquences avec des fréquences à 2,45 GHz et 5,8 GHz.

La figure 2.1 représente le robot EL-E, un prototype de robot d’assistance développé au Georgia Institute of Technology. L’identification RFID permet au ro-bot de percevoir et de comprendre sémantiquement son environnement, d’interagir avec des utilisateurs et de manipuler des objets identifiés par leurs labels [36]. Des antennes de longue portée sont utilisées pour détecter la présence d’un objet ou d’une personne dans un espace (chambre, cuisine, etc.). Les antennes de courte portée permettent au robot de détecter la présence d’un objet à proximité de sa main.

La figure 2.2illustre l’instrumentation d’un appartement dans le cadre du projet PEIS Ecology mené par l’université D’Orebro-Suède. Le système utilise une grille de tags RFID passifs sous le parquet pour guider le robot Centribot. Ce dernier est équipé d’un lecteur de tags RFID, dont l’antenne s’étend depuis la base.

Figure ^{2.1 – Robot EL-E, équipé d’un lecteur d’étiquettes RFID UHF, remettant}

une boite de médicaments munie d’une étiquette RFID à une personne portant un bracelet équipé d’une étiquette (tag) RFID [36].

Figure ^{2.2 – Instrumentation du sol d’un appartement par des étiquettes RFID}

passives [115].

2.3.5 Localisation

Dans cette partie, nous nous limitons à l’étude des principaux systèmes de loca-lisation indoor. Dans cette catégorie, on distingue deux types de systèmes [128] :

- Les systèmes WPS (Wifi Positioning Systems) : La localisation par ondes WIFI peut s’effectuer selon différents principes ; le plus simple consiste en une triangula-tion entre des bornes WIFI. L’un des plus performants en termes de précision utilise la méthode de cartographie ou d’empreinte radio (radio fingerprinting). Parmi les systèmes utilisant ce principe, on peut citer le Système RTLS (Real Time Location

System) de la société Ekahau qui offre une précision de l’ordre de quelques mètres³. La puissance du signal reçu ou RSS (Received Signal Strength) est le paramètre le plus souvent utilisé dans les méthodes de localisation WPS (triangulation, cartogra-phie). Cependant, cette technique fait l’hypothèse que le modèle d’atténuation des lieux (obstacles, murs, etc.) soit bien connu, ou calibré par apprentissage.

- Les systèmes de localisation basés sur les technologies sans fil courte distance. Parmi ces technologies, on peut citer : Bluetooth, Infrarouge, Zigbee, ultra-large bande (Ultra Wideband ou UWB), etc. Les méthodes de localisation utilisées dans les systèmes WPS sont également applicables pour ces systèmes.

Active Badge, est un système de localisation utilisant les ondes infrarouges (IR). Une étiquette portée par une personne émet un signal IR toutes les 10 secondes. Des capteurs placés à des endroits spécifiques du site captent ces signaux et les envoient à un calculateur en réseau qui estime la position de l’étiquette [150]. Active Badge possède une précision relativement faible de l’ordre de plusieurs mètres. Il est également très sensible à la lumière fluorescente et à la lumière du soleil.

Cricket, un système conçu à l’origine par le MIT, utilise une combinaison des ondes RF (Radio fréquence) et des ondes ultrasons, figure 2.3. Des balises “Cricket beacons” déployés sur le site envoient des ondes RF et ultrasonores au récepteur “Cricket listener” attaché à l’objet mobile. La position de ce dernier est ensuite estimée à partir de la mesure de la différence entre le temps de propagation des ondes RF et des ondes ultrasonores. Ce paramètre est appelé, différence de temps d’arrivée ou TDoA (Time Difference of Arrival) [109]. La précision de localisation est de l’ordre de 10 cm.

Figure ^{2.3 – Système de localisation Cricket.}

Le système Ubisense, utilise, quant à lui, la technologie UWB,⁴ figure 2.4. La localisation d’une balise active (appelée Ubitag) portée par l’objet mobile s’effectue selon le principe de la triangulation à partir d’une collection de capteurs en réseau (appelés Ubisensors) déployés dans une cellule rectangulaire. Chaque Ubitag intègre d’une part, une radio UWB (6-8 GHz) pour l’envoie de signaux UWB impulsionnels de très courte durée qui sont captés par les Ubisensors et d’autre part, une radio conventionnelle RF (2,4 GHz) pour la coordination de l’envoi de signaux UWB. Le système Ubisense utilise les paramètres TDoA (la différence de temps d’arrivée) et AOA (l’angle d’arrivée correspondant à la direction du signal -Angle of Arrival) pour calculer par triangulation la position de la balise Ubitag. Ainsi, au moins deux capteurs Ubisensors sont nécessaires pour calculer la position 3D d’une balise Ubitag. La localisation dans un appartement ou bâtiment nécessite que le site soit divisé en cellules de forme rectangulaire (chambre, séjour, bureau, etc.) nécessitant chacun 3 capteurs. Le système assure une précision relativement élevée (de l’ordre de 15 centimètres) mais reste cependant très onéreux et nécessite une infrastructure avec un câblage spécifique pour la mise en réseau des capteurs.

Figure^{2.4 – Système de localisation Ubisens.}

2.3.6 Robots de services

L’utilisation de robots de services pour l’assistance aux personnes dans l’exécu-tion de leurs tâches ou activités quotidiennes est toujours en phase d’expérimenta-tion et de recherche de modèles économiques viables. Dans ce qui suit, nous nous limiterons aux deux catégories suivantes : Les robots d’assistance à la mobilité ou au déplacement et les robots d’assistance domestique.

2.3.6.1 Robots d’assistance à la mobilité

Ces robots sont en général conçus pour compenser les déficiences motrices de leurs utilisateurs et aider ces derniers dans leurs activités physiques quotidiennes comme se lever/s’asseoir, marcher, monter les escaliers, etc. Dans cette catégorie de robots, on trouve les robots fauteuils, les robots cannes, les robots déambulateurs et les robots exosquelettes. La figure 2.5 illustre quelques prototypes de robots : (a) le concept de fauteuil roulant robotisé CARRIER développé par l’Université des arts appliqués de l’Industrial Design Studio 2 Esslinger en Autriche. Ce robot fait également office de verticalisateur ; (b) le fauteuil roulant robotisé Sharioto de l’Université de Louvain [34] ; (c) La cane intelligente iCane développée à l’université de Nagoya [37] ; (d) le déambulateur RobuWalker développé par la société Robosoft et l’ISIR pour l’aide à la verticalisation et au déplacement⁵; (e) l’exosquelette Hal de la société Cyderdyne⁶; (f) l’exosquelette EiCOSI, pour l’assistance aux mouvements de l’articulation du genou, développé au laboratoire LISSI [89]. Les exosquelettes ou orthèses sont des dispositifs mécatroniques que l’on qualifie de robots portables. Ils sont utilisés dans le but d’augmenter, d’assister ou de restaurer les mouvements des personnes dépendantes.

Figure ^{2.5 – Robots d’assistance à la mobilité : (a) CARRIER (b) Sharioto (c)}

iCane (d) RobuWalker (e) Hal (f)EiCOSI.

5. http://www.robosoft.com

2.3.6.2 Les robots d’assistance domestique

Ce domaine s’est développé ces dernières années pour le grand public, avec principalement l’apparition sur le marché de robots de service mono-tâche, à autonomie limitée et à prix réduit, comme par exemple, le robot de nettoyage Roomba de iRobot. Ces robots grand public nécessitent encore des évolutions pour s’adapter aux capacités fonctionnelles des personnes âgées ou dépendantes.

Dans la catégorie des robots d’assistance domestique qu’on appelle aussi robots personnels, on peut également citer les robots d’assistance relationnelle qui regroupent les robots compagnons et les robots pour l’éveil sensoriel.

Les robots compagnons ont une fonction d’assistance cognitive auprès de personnes isolées et fragilisées et peuvent communiquer avec la personne en tant qu’objets mobiles et communicants. Les robots compagnons sont en général consti-tués d’une base mobile avec une tête. Ils sont munis de capteurs, de reconnaissance et de synthèse vocale, d’interfaces de connexion à Internet et de fonctions de navigation autonome. Les fonctions principales pouvant être prises en charge par un robot compagnon concernent essentiellement l’assistance cognitive, allant des aide-mémoire aux stimulations (exercices physiques et intellectuels), ainsi que les fonctions basiques de communication comme le courrier électronique ou l’interaction social (accès aux réseaux sociaux, famille, amis, etc.). La figure 2.6illustre quelques exemples de robots personnels : Kompai de Robosoft, Ava d’iRobot, PR2 de Willow Garage.

Figure ^{2.6 – Robots personnels : (a) Kompai (b) Ava (c) PR2.}

Les robots d’éveil sensoriel sont généralement conçus pour favoriser l’interaction et la communication par le contact direct avec la personne. Ils sont destinés aux personnes souffrant de troubles cognitifs tels que l’autisme, les maladies

d’Alzheimer, etc. Ils se présentent sous la forme d’animaux de compagnie robotisés à l’image du robot chien Aibo de Sony. Ces robots sont équipés de capteurs leur permettant de réagir au toucher et à la voix et peuvent émettre des sons. Ils sont dotés d’une intelligence leur permettant essentiellement une communication et une interaction affective, personnalisée avec l’individu.

Le robot PR2 de Willow Garage est sans doute le robot personnel le plus abouti. Il dispose d’une base mobile à roues et de deux bras qui possèdent chacun 7 degrés de liberté. Ce robot reste néanmoins un outil d’expérimentation pour la recherche. La robotique de service multitâche pour des applications domestiques est toujours au stade de l’expérimentation et de la recherche, comme en témoignent les nombreux travaux, notamment sur les robots humanoïdes. A ce jour, il n’existe pas encore de produits commercialisés dans le domaine grand public.

2.3.7 Vers la robotique ubiquitaire

Avec l’apparition des paradigmes de l’informatique ubiquitaire, de l’intelligence ambiante, et la disponibilité des technologies de communications sans fil (réseaux de capteurs, réseaux mobiles, smart phones, etc.), des technologies logicielles (Web services, middleware), d’identification (RF ID, biométrie), etc., on assiste à l’émer-gence d’une nouvelle génération de robots de service appelés robots ubiquitaires. La robotique ubiquitaire ou la robotique en réseau constitue un domaine de recherche très prometteur de la robotique [62] [124]. Les enjeux autour de cette nouvelle forme de la robotique sont considérables avec un potentiel fort et des perspectives de croissance prometteuses, notamment sur le marché de la robotique de service. Des acteurs de l’industrie informatique de tout premier plan comme Google, Microsoft, Intel, etc. s’intéressent de plus en plus à ce marché.

L’idée sous-jacente consiste à intégrer ces robots dans des espaces intelligents à petite ou large échelle (maisons intelligentes, bâtiments, espaces urbains), afin d’offrir, en tout lieu, à tout instant et de manière transparente des services à valeur ajoutée : Assistance cognitive, sécurité, confort, divertissement, etc. Nous définissons un service comme une assistance (ou commodité matérielle, physique ou immatérielle) fournie à un (ou des) êtres vivant(s) et notamment à des personnes. La notion de service est apparue récemment dans les sciences informatiques. Dans ce cadre, un service offre une fonction utilisable par un tiers. Ce tiers peut être un ou plusieurs êtres vivants ou un autre service. La notion de service telle qu’elle est conçue dans les systèmes d’information distribués peut ainsi être perçue de la même manière qu’en robotique ubiquitaire. Le modèle d’interaction entre le robot et son environnement est ainsi totalement repensé puisqu’il ne s’appuie plus sur un schéma pré établi ; l’environnement d’évolution étant considéré comme ouvert, partiellement connu et dynamique. Un robot ubiquitaire doit être interopérable avec des objets ou des entités (capteurs, actionneurs, robots, artefacts, etc.) qu’il découvre dans son environnement plutôt que d’être pré

programmé statiquement pour cet environnement. Il doit être capable non seule-ment d’utiliser ses propres objets (capteurs et actionneurs) mais aussi d’interagir avec d’autres objets de l’environnement et d’adapter dynamiquement ses services face à des changements de contextes. On parle dans ce cas de sensibilité au contexte. Le chevauchement qui existe actuellement entre la robotique ubiquitaire et l’intelligence ambiante fait que leur utilisation conjointe constitue un choix synergé-tique pour créer des espaces physiques et numériques riches et offrant une multitude de services intelligents réactifs et/ou proactifs, visant à améliorer nos cadres de vie en tout lieu (maison, travail, etc.) et à tout instant. L’intelligence ambiante, d’une manière générale, et la robotique ubiquitaire, en particulier, constituent un domaine de recherche en plein essor qui vise à créer des écosystèmes exploitant des objets communicants (capteurs, actionneurs, terminaux numériques, artefacts intelligents, robots d’assistance, etc.) d’un environnement connecté, pour créer des